二、风车

由于认识到斯米顿概述的那些原理，水轮得到了改良，变得更为有效。十八世纪下半期，材料和工艺又有了改进。这种水轮阻碍了蒸汽动力的进步。实际上，空气蒸汽机本质上是一种泵抽装置，因此，斯米顿及其同时代人通常都通过利用蒸汽机提升水来驱动上射水轮，从而获得连续旋转运动。即使当旋转式蒸汽机已成为极其普遍采用的动力源的时候，在水充裕而煤稀罕的地方，就是在十九世纪晚期，水轮已最终在水轮机极高效率面前相形见绌，水轮仍然在建造和使用。

另一方面，在十八世纪里，风车在流行性、效率和精巧构造等方面都达于极致。但从此之后，风车便每况愈下。风车的起源是一个思辨和猜想的问题。总之，“柱式风车”似乎最早是在波罗的海沿岸出现的，这种形式风车延续了几个世纪，今天仍散见于各地（图 285）。

柱形风车的结构如下所述。装设了四个圬工墩，上面架设一对十字杆。立柱竖立在十字杆的交叉点上。这立柱是一根直径约 2 英尺的实心杆，由十字杆借助称为“方杆”的倾斜构件支撑。一根称为“冠杆”的坚牢旋转横杆设在立柱顶上，水车的上层结构则建筑在这横杆之上，构架和机械的重量由一个环承载，这环围绕方杆交叉点处的立柱。

动力取自一个大的嵌齿“闸轮”，后者围绕一根木“风轴”，此木轴伸出风车建筑之外承载翼板。翼板由称为风车翼的锥形长木件支承，这些翼固定于比较坚牢的“座台”之上，后者榫接于风轴的凸出端。

借助一根长长的木尾杆，这种风车整个地转进风眼，所必需的动力由一个小的可携式绞盘施加，这绞盘捆绑在一根立柱上，这些立柱则适当地装设在一个围绕风车底座的环上。

一种较晚类型的结构示于“塔式风车”（图 286）。这种风车不是整个地转动，而是仅仅一个承载风轴和翼板的头转动，这头安装在一个滚柱环上，后者装设在一座圬工塔或木塔的顶上。这种支承方法使得能够达到很大的高度，使得风车更容易转动，并且开拓了风车动力的可能用途。

图 285—柱式风车 图 286—塔式风车

拉梅利于 1588 年在他的《各种人造机器》（Diverse et Artificiose Machine）中用图说明了柱式和塔式水车。各个荷兰著作家的著作，例如皮特尔·林德佩希的《建筑力学宝书》（ Architectura Me-chanica of Moolenboek）（1724 年）、《万宝全书》（Groot AlgemeenMoolenboek）

（1734 年）和 J.范·齐尔的《万用机器舞台万宝全书》（Theatrum Machinarum Universale of Groot Algemeen Moolenboek）（1734 年）都用大幅工作图说明更加精致得多的机构。

图 287—斯米顿的在纽卡斯尔的风车(1782 年)

这些示图不仅表明了风车的结构，而且还表明了它们所应用的机械以及用于安装它们的器械。铁用得很少。风轴在轮端处的轴颈部分地是一些铁杆，它们齐平面地沉埋在木轴之中。支承风轴翼板端的轴承是硬木或石头制成的。在远离翼板的那一端，一个活塞销兼起轴承和止推两种作用。这销是铁的，在一个铁轴颈中活动。铸铁耳轴是在十八世纪初引入的。斯米顿应用完全铁制的风轴，如同图 287 所示装设在泰因河畔纽卡斯尔的“烟囱式风车” 那样。

驱动带木或铁绞盘头的“灯笼式”小齿轮的那些大齿轮，其硬木嵌齿的齿根据一种简单的约略估计方法确定。这些齿在节距圆以下的各齿面相互平行。在节距圆上面，它们被制成圆弧，其圆心在节距圆上，半径等于节距。这只能对一种尺寸齿轮和小齿轮给出接近恰当的啮合。

铸铁齿轮之用来取代木嵌齿和绞盘头，归功于斯米顿。他约在 1755 年引入这一改良。他还从荷兰引入把滚柱（这头在滚柱上旋转）安装在固定于一个环的销之上的做法，使滚柱保持正确间距，而又不让销承受重量。

如拉梅利（1588 年）所说明的，早期风车的翼板是长方形的，被翼一分为二，在它们的全部长度上保持固定倾斜角。十八世纪的荷兰风车中，倾斜角同离轴的径向距离成比例地减小，从而使风和翼板表面保持恒定相对速度。

斯米顿似乎是最早以科学方式研究风车翼板设计问题的人。他的实验和结论的说明载于上面已提到过的《实验探索》之中。自然风很不一定，因此， 无法用于实验目的。于是，斯米顿制造了人工风。为此，他把风车翼板安装在一根水平臂上，这臂固定在一根垂直轴上，这轴上安装有一个鼓。对缠绕在这鼓上的一根绳索施以适当张力，就可以按所需速度驱动这垂直轴。这轴的旋转同一个可调节的摆的节拍同步。其效应通过使风轴刮起一个小重物而

图 288—嵌齿轮的齿的齿的确定

加以测定（图 289）。摩擦也被测定，计算中给它考虑一定的容差。对帆的不同型式和展距以及不同的倾斜角，做了一系列试验，总共十九

次。这些试验得出了下述结论。

（一）关于翼板的最佳形式和位置：

  1. 帕朗和马克劳林以往下的理论结论是错误的。按照这两位作者的见解，倾斜角也即翼板平面和翼旋转平面间的倾角应为 35°。实际上通常采用这角的一半，在这种情况下，最大负载和每分钟转数之乘积增加百分之五十。帕朗的角给出“最大的力”，但

图 289─斯米顿的风车翼板模型因速度太慢而无法做有用的工作。

  1. 在理论上，倾斜角随着离风轴的径向距离增加而减小，将使整个翼板在向风侧呈凸表面。荷兰实际上最好的做法是让翼板以凹面对着风。实验表明，“当风吹到一凹面时，这整个面将获益，尽管每个部分分别来看并未得到最大好处。”

斯米顿对于代表翼板相对风轴的外径之各相继六分之一的那些位置，求

得了最佳角度为18°、19°、18°、16°、12 1 °和7°。

2

  1. 斯米顿最早的翼板是长方形的，这种翼板运动时跟随着翼。他给这些翼板的前沿增添一块三角形布，基底为原始翼板宽度的一半。这样，他扩大了这些翼板，使之面积增加百分之二十五。他发现，这种增加是有益的， 但需要更大的倾斜角。

（二）空载风车翼板的速度和加载而产生最大动力时的速度之比约为3∶2。

（三）最大负载等于恰使翼板停止的负载的六分之五。

（四）翼板的效应受下列诸法则支配： (1)翼板速度∝风速。

(2)最大负载∝（风速）× （翼板速度），即∝风速 2。 (3)“效应”∝（最大负载）×（风速），即∝风速 3。然而，如果负载

恒定，则风车在风速增大时无法发挥其最大动力。实际上，“风车在顶着一个固定对立物起作用时，大大丧失其效应。”

（五）对于相同的风速，不同大小的类似翼板的性能受一种“比例效应” 支配。

  1. 由于翼板尖端的速度同风速成一定比率，所以，在给定时间里，转数必定随着极限半径的增加而成比例地减小。

  2. 风产生的力∝半径 2。这力的杠杆臂∝半径。

因此，所产生的转矩∝半径 3。然而，由于转速∝半径的倒数，所以， 作为转矩和给定时间内转数之乘积的效应仅相当于类似风车中的半径 2。

可以注意到（斯米顿未提出这一点），虽然风车的动力（斯米顿的效应） 按半径的平方增加，但活动零件的重量将至少按半径的立方增加，而且，如果要提供同样的强度，则增加更甚。因此，一座个别风车的尺寸必定有一个经济上的界限。

斯米顿求得，在使用他的扩大翼板时，一座翼半径 30 英尺的风车的动

力相当于18个人或3 2 匹马的力量，当使用普通的荷兰翼板时，则相当

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于 10 个人或 2 匹马的力量。这么巨大的尺寸，却只得到很小的动力。

这使风车不能同蒸汽机相匹敌，尽管风车运行成本很低，维护也简便。

安德鲁·米克尔（1719—1811）对风车的机构作了一些重大改良。米克尔是个有独创性的水车设计师、农场主和磨坊主，还是著名的脱粒机发明者和风车设计师约翰·伦尼（1761—1821）的师傅。

如上所述，1750 年以前，风车头用尾杆拖拉转动，而这在疾风中是十分吃力的工作。那年，米克尔引入了“扇尾”传动装置。安装了一座小的辅助风车，同主翼板相垂直。当主风车正确地调整好之后，辅助翼板便静止不动。然而，如果风向转变，辅助翼板便又活动起来，借助蜗轮一蜗杆和小齿轮一齿条机构，提供 3000 比 1 的减速，驱使风车头转动起来，直到主翼板吃足满风，这时，辅助翼板复又静止。如果风车自动地面向风，那么，阵风和狂风损害翼板的危险便大大增加。因此，米克尔在 1772 年作了调整，把翼板分成若干不均等开合的部分，开裂也受到控制，于是，过量的风便被自动“漏掉”。（参见 Arthur Titley：Notes on Windmills，载 Trans.of the Newcomen，Societg，vol.III。）威廉·丘比特对自动开合的百叶窗式翼板的应用作了改进，于 1807 年取得了专利权。米克尔的装置是一个安全阀。丘比特的装置是一个可调整的调节器。布翼板给出比较强力的驱动，但比“软百叶帘”式样更难控制。

虽然可调翼板调节了传动速度，但面粉机的成功工作要求调整磨石间孔隙。在早期的风车中，这是用手工调节的。后来使用离心调速器。托马斯·米德（1787 年）和斯蒂芬·胡珀（1789 年）获得这种装置的专利权，但它在1787 年之前已在应用。